Científicos descartan el neutrino estéril y abren nuevas vías en física

Después de años de investigación, los científicos del experimento MicroBooNE determinaron que el neutrino estéril, una partícula hipotética discutida durante décadas, no existe. Este hallazgo, publicado en la revista Nature, reduce significativamente las explicaciones para uno de los misterios más persistentes en la física de partículas.

El profesor asistente de física en UC Santa Barbara, David Caratelli, quien coordinó el análisis del experimento, explicó que los neutrinos son partículas fundamentales difíciles de detectar, pero que son abundantes en el universo. Resultados de experimentos anteriores no coincidieron con el conocimiento existente, lo que llevó a los científicos a especular sobre la existencia de un cuarto tipo de neutrino, el "neutrino estéril". Sin embargo, las nuevas mediciones de MicroBooNE mostraron que esta idea no se alinea con los datos obtenidos.

Caratelli destacó que descartar la hipótesis del neutrino estéril representa un avance significativo, ya que abre la puerta a nuevas posibilidades y prepara el terreno para experimentos más grandes y avanzados en el futuro.

Por qué los neutrinos siguen siendo un enigma

El Modelo Estándar de la física proporciona un marco bien probado para entender las fuerzas y partículas fundamentales que dan forma al universo, pero deja algunas preguntas importantes sin respuesta. Matthew Toups, científico senior en Fermilab y coportavoz de MicroBooNE, comentó que, aunque el Modelo Estándar describe muchos fenómenos naturales, es incompleto, ya que no considera la materia oscura, la energía oscura o la gravedad.

Los neutrinos representan una de estas lagunas. Cuando se desarrolló el Modelo Estándar, se asumió que los neutrinos no tenían masa, pero esa suposición comenzó a desmoronarse a finales del siglo XX, cuando experimentos que observaban neutrinos provenientes del espacio revelaron comportamientos inesperados, como la desaparición de ciertos tipos de neutrinos durante su trayecto.

Los científicos descubrieron que los neutrinos existen en tres formas, conocidas como sabores: electrón, muón y tau, y que estos sabores pueden cambiar a medida que los neutrinos se mueven a través del espacio. Este proceso, llamado oscilación, implica que los neutrinos deben tener masa. Caratelli explicó que "la única forma en que esta oscilación puede ocurrir es si los neutrinos tienen masa, algo que el Modelo Estándar no predijo".

La hipótesis del neutrino estéril

En la década de 1990, experimentos adicionales profundizaron el misterio. Estudios en el Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) en el Los Alamos National Laboratory y más tarde en el experimento MiniBooNE en Fermilab observaron muones neutrinos transformándose en electrones de maneras que no podían explicarse solo con los tres tipos de neutrinos conocidos. Justin Evans, profesor en la Universidad de Manchester y coportavoz de MicroBooNE, indicó que la explicación más popular para estas anomalías durante los últimos 30 años ha sido la existencia de un neutrino estéril.

A diferencia de los neutrinos conocidos, que interactúan con otras partículas a través de la fuerza electrodébil, un neutrino estéril no interactuaría con la materia de la misma manera, lo que lo hacía extremadamente difícil de detectar directamente.

Cómo MicroBooNE probó la teoría

Para examinar estas anomalías más de cerca, los científicos construyeron MicroBooNE en Fermilab, un detector diseñado para capturar interacciones de neutrinos con un detalle sin precedentes. Entre 2015 y 2021, el experimento registró neutrinos producidos por dos haces en el sitio de Fermilab. Estos haces enviaron neutrinos a una cámara de proyección de tiempo de argón líquido, donde se pudieron observar sus interacciones con alta precisión.

Caratelli explicó que "producimos neutrinos de un tipo y colocamos nuestros detectores en posiciones óptimas para maximizar la probabilidad de encontrar este neutrino estéril. En la práctica, lo que hicimos fue producir neutrinos muón y, si existiera un neutrino estéril, veríamos una aparición de neutrinos electrones".

El equipo comparó el número de neutrinos electrones detectados con las predicciones basadas en modelos que incluían un neutrino estéril y modelos que no lo hacían. Los resultados mostraron que no hubo tal efecto, y los datos coincidieron con las expectativas de un universo sin neutrinos estériles, descartando efectivamente la existencia de esta partícula. Esta conclusión se basa en trabajos anteriores liderados por el grupo de UC Santa Barbara y publicados en Physics Review Letters en el verano de 2025, que también encontraron que no había un exceso de neutrinos electrones.

Un punto de inflexión para la investigación de neutrinos

Aunque la explicación del neutrino estéril ha sido descartada, las anomalías originales observadas por LSND y MiniBooNE no se han resuelto completamente. Caratelli mencionó que "esto representa un cambio de paradigma para nosotros". Con la hipótesis de décadas ya no viable, los investigadores ahora exploran un conjunto más amplio de ideas que podrían explicar las extrañas observaciones y potencialmente arrojar luz sobre preguntas más profundas, incluida la naturaleza de la materia oscura.

Caratelli agregó que "tenemos un menú de opciones mucho más variado que estamos investigando". Las herramientas y técnicas refinadas durante el experimento MicroBooNE ahora se aplican a estudios más complejos y con múltiples detectores.

Una idea alternativa involucra fotones que podrían haber sido mal identificados en experimentos anteriores o que podrían señalar nueva física. La profesora de física de UC Santa Barbara y colaboradora de MicroBooNE, Xiao Luo, publicó recientemente un análisis inicial que examina esta posibilidad. Se espera que el trabajo futuro dentro del programa de neutrinos de corto alcance de Fermilab explore estas preguntas con mayor detalle.

Mirando hacia la próxima generación de experimentos

Al mismo tiempo, avanza la construcción del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Ubicado a una milla bajo la superficie en el Sanford Underground Research Facility en South Dakota, DUNE será el detector de neutrinos más grande jamás creado. Recibirá un intenso haz de neutrinos de alta energía enviados a través de la Tierra desde Fermilab, a 800 millas de distancia.

Caratelli destacó que "MicroBooNE es grande, del tamaño de un autobús escolar. Pero DUNE es de escala de campo de fútbol". La escala y precisión de DUNE podrían ayudar a responder preguntas no solo sobre el comportamiento de los neutrinos, sino también sobre por qué el universo contiene más materia que antimateria.

Según Caratelli, MicroBooNE desempeñó un papel crítico en preparar a los científicos para lo que viene. "Una de las cosas clave que MicroBooNE hizo fue darnos confianza y enseñarnos a usar esta tecnología para medir neutrinos con alta precisión", concluyó. "Lo que aprendimos con MicroBooNE sobre cómo analizar los datos que llegan al detector se aplica directamente a DUNE".

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